曹家灘煤礦首采工作面地表移動(dòng)規(guī)律分析

華照來，李錦明

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

曹家灘井田位于鄂爾多斯高原東北部，陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠東南緣。井田內(nèi)最高處位于井田北部石廟梁，標(biāo)高+1 352.2 m，最低處位于井田東部野雞河溝田家圪臺(tái)，標(biāo)高約+1 223.30 m，最大高差128.9 m，一般標(biāo)高+1 290 m。地表地貌包括沙丘沙地和風(fēng)沙灘地、黃土梁峁地貌。首采煤層2-2煤全區(qū)可采，煤層的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含夾矸，局部頂部或底部有1～2層夾矸，厚度0.04～0.26 m，煤層傾角平緩，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，開采技術(shù)條件優(yōu)越，煤層埋藏深度255～338 m，煤層厚度較穩(wěn)定，為8.08～12.7 m，平均厚度為11.2 m。

曹家灘首采工作面采用分層大采高綜采工藝，工作面傾向長(zhǎng)度為350 m，屬于超長(zhǎng)工作面，推進(jìn)長(zhǎng)度約為6.2 km，上分層采高平均為7.0 m。開展首采工作面地表巖移參數(shù)的研究可以為其后續(xù)工作面的安全回采提供指導(dǎo)[1-3]，此外，探究覆巖及地表移動(dòng)變形的規(guī)律對(duì)覆巖中含水層、地表建(構(gòu))筑物的保護(hù)具有重要意義。

1 地表移動(dòng)觀測(cè)設(shè)計(jì)

1.1 地表觀測(cè)站布設(shè)

剖面線觀測(cè)站：根據(jù)設(shè)站的目的，合理選擇觀測(cè)站的布設(shè)形式[4-6]。觀測(cè)站一般分為剖面線觀測(cè)站和網(wǎng)狀觀測(cè)線2種。剖面線觀測(cè)站是目前礦區(qū)應(yīng)用較多的一種布站形式，即在主斷面上(傾斜與走向)方向上布點(diǎn)成直線形[7-9]，如圖1所示。剖面線觀測(cè)站一般由2條觀測(cè)線組成。一條沿煤層走向方向，一條沿傾斜方向，互相垂直并相交。

圖1 剖面線狀觀測(cè)站

網(wǎng)狀觀測(cè)站：網(wǎng)狀觀測(cè)站是在地表設(shè)立較多測(cè)點(diǎn)，組成網(wǎng)狀觀測(cè)站，如圖2所示。網(wǎng)狀觀測(cè)站可觀測(cè)整個(gè)采動(dòng)范圍，觀測(cè)資料比較全面、準(zhǔn)確，可進(jìn)行全盆地移動(dòng)變形分析。但是網(wǎng)狀觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)數(shù)目太多，觀測(cè)工作量大，因而這種方法一般只在產(chǎn)狀復(fù)雜的礦層或在建筑物密集的地區(qū)開采時(shí)應(yīng)用[10-13]。

圖2 網(wǎng)狀觀測(cè)站

1.2 地表觀測(cè)線布設(shè)

控制點(diǎn)布設(shè)：根據(jù)開采區(qū)地表地形分析，在采區(qū)之外根據(jù)地表已有永久控制點(diǎn)確定觀測(cè)線的控制點(diǎn)至少2～3個(gè)(R1～R3)并與走向觀測(cè)線相連接，根據(jù)已知控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，將控制點(diǎn)加密到6個(gè)點(diǎn)(R1～R6)，工作測(cè)點(diǎn)的外端點(diǎn)與控制點(diǎn)的間距及控制點(diǎn)與控制點(diǎn)的間距不宜小于50 m。

實(shí)地測(cè)線布設(shè)：沿走向方向布置一條觀測(cè)線(Z線)；沿傾向布置一條傾向觀測(cè)線，且與走向方向線基本垂直。由于受地形影響，實(shí)際布設(shè)測(cè)線時(shí)對(duì)2條測(cè)線的長(zhǎng)度、A線和Z線距離都做了相應(yīng)調(diào)整。

觀測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)：曹家灘煤礦首采工作面埋深約340 m，依據(jù)“測(cè)點(diǎn)密度的選取參考表”，測(cè)點(diǎn)之間距離選取25 m。根據(jù)理論分析，A線長(zhǎng)1 047.5 m，距切眼距離418.7 m，A線共布置測(cè)點(diǎn)43個(gè)，編號(hào)為A1～A43；其中A線兩端各設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)；Z線長(zhǎng)為687.5 m，Z線共布置測(cè)點(diǎn)29個(gè)，Z1～Z29，Z線在工作面外設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)。

觀測(cè)點(diǎn)實(shí)地標(biāo)定：結(jié)合井上下對(duì)照?qǐng)D與觀測(cè)線及其測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖，在圖紙上量RZ1、RZ2和RZ3起始坐標(biāo)，并由已知控制點(diǎn)K1、K2準(zhǔn)確放樣出RZ1、RZ2和RZ3坐標(biāo)并測(cè)定出其實(shí)際坐標(biāo)，從而由RZ1、RZ2和RZ3放樣出走向觀測(cè)線(Z)。同樣，在圖紙上量取RA1、RA2坐標(biāo)，在實(shí)地標(biāo)定出其坐標(biāo)，由K1、K2放樣RA1、RA2實(shí)地位置，由RA1、RA2點(diǎn)的坐標(biāo)放樣出走向觀測(cè)線(A)。所用材料為木樁和釘子，每個(gè)測(cè)點(diǎn)須用紅漆寫上編號(hào)，在以后正式埋設(shè)時(shí)要予以保留，防止再測(cè)量時(shí)漏點(diǎn)和便于記數(shù)，測(cè)點(diǎn)間距一般設(shè)為25 m范圍，如果遇到特殊地形可適當(dāng)加以調(diào)整。盡量保證同一條觀測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)在一條直線上，傾向觀測(cè)線與走向觀測(cè)線垂直。

1.3 122106工作面觀測(cè)成果

對(duì)122106工作面觀測(cè)成果進(jìn)行整理和分析，得到地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)成果見表1。

表1 地表移動(dòng)角值和最大變形

2 工作面地表移動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)

2.1 UDEC數(shù)值模擬

(Z線)工作面推進(jìn)方向基巖及地表移動(dòng)規(guī)律：隨著工作面的推進(jìn)地表不斷下沉，最大下沉量分別為3.14 m、3.63 m、3.75 m、3.86 m、3.97 m、4.21 m，表明地表下沉在第7次來壓后就趨于穩(wěn)定，最大下沉量為4.21 m。工作面開挖800 m，回采穩(wěn)定，整個(gè)采空區(qū)上部呈現(xiàn)下沉盆地。

(A線)工作面傾向方向基巖及地表移動(dòng)規(guī)律：工作面開挖800 m，回采穩(wěn)定，沿工作面傾向方向A線基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)采空區(qū)上部呈現(xiàn)下沉盆地，地表最大下沉量達(dá)到3.34 m。

地表巖移影響范圍分析：由圖3可知，沿工作面走向方向，800～1 000 m之內(nèi)的測(cè)點(diǎn)位于實(shí)體煤上方，可見工作面的回采對(duì)實(shí)體煤上方地表影響范圍在800～900 m，即影響范圍為100 m。由圖4可知，沿工作面傾向方向，500～650 m之內(nèi)的測(cè)點(diǎn)位于實(shí)體煤上方，可見工作面的回采對(duì)實(shí)體煤上方地表影響范圍在500～625 m，即影響范圍為125 m。由此判斷工作面開挖對(duì)實(shí)體煤上方地表的影響范圍在100～125 m。

圖3 工作面開挖800 m Z線下沉曲線

圖4 工作面開挖800 m A線下沉曲線

2.2 物理模擬

模擬結(jié)果：在各煤層工作面開挖試驗(yàn)過程中，每隔3～5 min開挖一次，推進(jìn)2.0 cm，模型2-2煤采高為2.8 cm；按照相似比例(1∶250)，為了更真實(shí)地表述各煤層實(shí)際開采情況，在試驗(yàn)描述過程中均采用相似比例換算到實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)。圖5為10次周期來壓地表的位移曲線，前3次周期來壓地表下沉量不大，第4、5次周期來壓，垮落帶高度分別為19.6 cm、25.2 cm。第6次周期來壓，微裂隙發(fā)展到基巖頂界面；第7次周期來壓，微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展；第8次周期來壓，地表出現(xiàn)下沉并出現(xiàn)微裂隙；第9次周期來壓，地表出現(xiàn)裂隙；第10次周期來壓，地表裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖5 物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乇硐鲁燎€

結(jié)果分析：由此可見，第4次周期來壓，地表下沉量明顯增大，表明第4次周期來壓時(shí)關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致關(guān)鍵層上覆巖層的下沉。隨著工作面的推進(jìn)，地表進(jìn)一步下沉，第7次周期來壓時(shí)，地表最大下沉量為增速緩慢并趨于穩(wěn)定。第10次周期來壓時(shí)，地表最大下沉量為1.63 cm，實(shí)際換算為4.08 m，與實(shí)際情況相符合。表2為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、物理模擬3種方法10個(gè)周期來壓地表最大下沉量，對(duì)比分析3種方法的所得數(shù)據(jù)，其相差不大，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

表2 不同觀測(cè)方法10個(gè)周期來壓地表最大下沉量

3 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析，得出了曹家灘煤礦2-2煤層開采地表巖層移動(dòng)參數(shù)，主要包括綜合開采邊界角、綜合移動(dòng)角、綜合裂縫角、基巖邊界角、土層邊界角等參數(shù)。

(2)采用離散元UDEC數(shù)值模擬軟件分別對(duì)122106工作面的走向和傾向建立了數(shù)值模擬模型，模擬了煤層開采時(shí)的地表巖層移動(dòng)規(guī)律。發(fā)現(xiàn)地表的下沉只出現(xiàn)在采空區(qū)上部及附近一定范圍內(nèi)，且其下沉呈對(duì)稱分布；表明地表下沉在第7次來壓后就趨于穩(wěn)定，最大下沉量為4.21 m，傾向模型的最大下沉量為3.36 m。

(3)采用物理模擬方法對(duì)122106工作面十次周期來壓的覆巖移動(dòng)規(guī)律分析，得出和數(shù)值模擬類似的規(guī)律，表明2種研究方法相互印證，與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。